部分填充环状泡沬金属的管内流动冷凝传热研究

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泡沫金属具有比表面积大、孔隙率高、骨架导热能力强等特点,将其填充在冷凝器的换热管内有望提高冷凝器的传热性能。本文首先以内壁填充环状泡沫金属管为研究对象,对纯蒸汽在泡沫金属管内流动冷凝的换热和压降特性进行了实验研究。综合分析了蒸汽质量流量、泡沫金属PPI值、入口蒸汽压力、冷却水温度以及不凝性气体质量分数对流动冷凝传热系数及压降的影响。研究结果表明泡沫金属管的冷凝传热系数随着蒸汽质量流量和冷却水温度的增加而增大,随泡沫金属PPI值、入口蒸汽压力和不凝性气体质量分数的增加而减小。泡沫金属管的传热系数高于光管,其中10PPI的泡沫金属管内流动冷凝传热系数最高达光管的2倍。流动压降方面,泡沫金属管的压降随蒸汽质量流量的增加呈非线性增大,随泡沫金属PPI值、冷却水温度和不凝性气体质量分数的增加而增大,随入口蒸汽压力的增加而减小。本文基于壁面温度和热流密度分布规律对泡沫金属管内的两相流型进行预测,结论如下:蒸汽质量流量为40kg/h时,管内流型为波状流和分层流;蒸汽质量流量为80kg/h时,管内流型包括环状流、波状流和分层流。本文采用单位质量能效系数法对比泡沫金属管与翅片管的传热和压降性能,结果表明泡沫金属管的传热能效高于翅片管,但泡沫金属管的压降能效低于翅片管。然后结合泡沫金属管内流动冷凝的传热和压降特性,对泡沫金属管传热性能进行了综合评价。本文总结了已有的关于泡沫金属传热和压降关联式的研究。并在实验基础上开发了适用于环状泡沫金属管内流动冷凝传热系数与压降的预测关联式,并与已有研究进行对比验证,结果表明关联式预测值与实验值吻合良好。最后,采用表面氧化和分子自组装技术对泡沫金属表面进行疏水改性处理。然后对纯蒸汽在疏水性环状泡沫金属管内流动冷凝的换热和压降特性进行了实验研究。研究发现,疏水性泡沫金属管内平均冷凝传热系数是未处理泡沫金属管的近1.2倍。同时疏水性泡沫金属管内压降相比未处理的泡沫金属管有所降低,但仍高于光管内流动压降。基于实验研究进一步开发了适用于疏水性泡沫金属管内流动冷凝传热和压降的预测关联式。
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